[论文解读] Interdependence of Magnetic and Chemical Short-Range Order in the CrCoNi Multi-Principal Element Alloy

Flynn Walsh, Robert O. Ritchie+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2020

High Entropy Alloys Studies被引用 2

一句话总结

本文提出，通过最小化同自旋Cr-Cr对，交换相互作用驱动了CrCoNi高熵合金中的原子有序化，其中磁性对齐的Co-Cr和Cr-Cr对也起到了显著作用。第一性原理计算表明，该机制可解释不同成分下异常磁性的行为，将多主元合金中的化学短程有序与磁性短程有序联系起来。

ABSTRACT

The presence, nature, and impact of chemical short-range order in the multi-principal element alloy CrCoNi are all topics of current interest and debate. On the basis of first-principles calculations, we present a theory of exchange interaction-driven atomic ordering in this system centered on the elimination of like-spin Cr-Cr neighbors, with significant contributions from certain magnetically aligned Co-Cr and Cr-Cr atoms. Together, these effects can explain anomalous magnetic measurements across a range of compositions and provide implications for related high-entropy alloys.

研究动机与目标

• 解决关于CrCoNi多主元合金中化学短程有序（SRO）的争议。
• 研究高熵合金中磁性和化学短程有序之间的相互作用。
• 解释在CrCoNi中不同成分下观测到的异常磁性测量结果。
• 建立一个将交换相互作用与复杂固溶体中原子有序化联系起来的理论框架。

提出的方法

• 采用第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，以获得交换相互作用和形成能。
• 分析自旋依赖的原子对相关性，以识别磁性对齐效应。
• 系统评估不同自旋构型下Cr-Cr、Co-Cr及其他过渡金属对相互作用。
• 利用DFT导出的有效相互作用参数，对短程有序进行建模。
• 将预测的磁响应与不同成分下的实验测量结果进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 交换相互作用如何影响CrCoNi高熵合金中的原子有序化？
• RQ2 磁性对齐在驱动化学短程有序中起什么作用？
• RQ3 为何在CrCoNi中不同成分下异常磁性测量结果持续存在？
• RQ4 Cr-Cr、Co-Cr及其他过渡金属对如何共同贡献于整体有序化机制？
• RQ5 交换相互作用在多大程度上可解释观测到的磁性和化学短程有序之间的相互依赖性？

主要发现

• 消除同自旋Cr-Cr邻近原子是驱动CrCoNi中原子有序化的主导因素。
• Co-Cr和Cr-Cr对的磁性对齐显著贡献于整体交换驱动的有序化机制。
• 磁性和化学短程有序之间的相互依赖性解释了在不同成分下异常磁性测量结果。
• 第一性原理计算证实，自旋依赖的相互作用是稳定短程有序构型的关键。
• 该模型为CrCoNi及其相关高熵合金中磁异常和化学短程有序提供了统一的解释。